地铁车站抗震设计探讨

摘要:在神户地铁车站震害分析和地铁车站的地震作用机理的基础上,总结目前地铁车站结构的地震动力反应分析研究现状和需要解决的关键问题,对地铁车站抗震设计提出建议。

关键词:地铁车站;抗震设计;地震反应动力分析

中图分类号:U231 文献标识码:A 文章编号:1672-3198(2010)02-0284-01

1 引言

近年来,随着地下结构数量的增多和地下结构震害的频繁出现,地下结构抗震问题日益受到人们的重视。特别是1995年日本阪神地震后,世界各国纷纷针对区间隧道和地铁车站的震害,研究导致震害的主要原因,并据以建立分析理论,使得地下铁道的抗震研究出现了前所未有的热潮。

2 地铁车站震害实例分析

在阪神地震中,神户市地铁多数车站有震害现象发生,尤其是大开车站(Daikai Subway Station)和上泽车站(Kamisawa Station),破坏最为严重,混凝土中柱开裂倒塌、顶板和楼板断裂坍塌、侧墙开裂等破坏现象随处可见。其他车站的中柱、顶板、楼板和侧墙部位也有破坏现象,但总体来说,破坏较为轻微。

该车站用明挖法于1964年建成,中间柱(400×1000㎜,﹫3.5m)约30根完全破坏,顶板下沉约3m,车站断面变成M形,中柱上端或下端混凝土剥落,钢筋屈曲。在线路方向及垂直方向上,轴向钢筋鼓出,箍筋也有许多破坏的,在侧墙的隅角部位也发生裂缝及变位但无显著破坏。

国内外学者根据地铁车站结构在阪神地震中出现的严重破坏进行了许多研究,结果表明:(1)中柱是地铁车站结构抗震的薄弱环节,对其抗震性能的设计应引起重视;大开车站的中柱是由于水平和竖向地震作用下产生了较大内力,从而导致了整个地下结构的破坏;(2)直下型地震的强地面运动破坏作用对地铁车站的破坏很大;(3)采用冲量理论分析竖向地震作用对中柱破坏的影响,发现竖向地震动作用下地下结构所产生的内力比水平地震动作用下产生的内力还要大,这能较好的解释中柱破坏的震害现象,说明竖向地震作用对地铁车站结构的破坏有显著影响。

3 地铁车站震害机理分析

地铁车站震害形态的差异与地震强度、震源距、地震波的特性、地震力的作用方向、地质条件、车站结构与周围土体介质的相对刚度及施工方法、施工的难易程度等有密切关系。根据以往地下结构在地震时所表现的行为可知,地震的主要或次要效应均可使车站结构遭受破坏。该效应包括两个方面:第一种效应是土体失稳,指土体的变形、差异位移、震陷和液化。该类型的破坏多数发生在水文地质条件变化较大、断层破碎带、浅埋地段或车站结构刚度远大于周围土层刚度的土体介质中,是目前公认的主要破坏形式。第二种效应是地震惯性力,指强烈的地层运动在结构中所产生的惯性力所造成的破坏。该类型的破坏多数发生在浅埋或明挖的车站结构,在这些地方地震惯性力的作用表现得比较明显。除此之外,浅埋车站结构的地震破坏比深埋车站结构发生的频度和程度都要高很多,因为在浅埋地段可能受到上述双重类型的破坏作用。

地震工程学院胡聿贤认为,对于地下结构,其抗震能力的重要问题在于土体的地震变形和结构对于这种变形的适应性。所以地铁车站抗震设计不但要求结构在静载和地震荷载作用下具有足够的强度,而且能最大程度的吸收地震产生的变形。所以,地铁结构的抗震设计原则应当考虑这种破坏作用,使设计的结构应有足够的韧性以吸收地震所产生的相位衍生应力和强制变位,同时又不损害其承受静载的能力。

4 地铁车站结构地震反应动力分析

目前,我国地铁车站结构的抗震设计基本是参照GBJ111—87《地铁工程抗震设计规范》中有关隧道部分的条文和GB50011—2001《建筑抗震设计规范》采用地震系数法进行的。地震系数法用于地下结构抗震计算时具有明显的缺陷,比如按照地震系数法,作用在地下结构的水平惯性力随埋深的增加而增加,这与实际情况明显不符。

强地震作用下,地下结构与周围土体质可能呈现明显的非线性、弹塑性状态,地下结构与土体之间的接触面还可能出现局部滑移、脱离等非连续变形现象,因此,一个合理的地下结构动力分析模型必须全面考虑四种非线性因素:结构材料非线性、土-结构动态接触非线性、近场地土非线性与远场地土非线性,同时还应该合理考虑周围土体半无限性的影响。目前对包括钢筋混凝土等在内的结构材料非线性性质的研究相对成熟,土-结构动态接触非线性的研究也已经取得了较大进展,针对土体半无限性及远场地土特性的模拟问题已经发展了多种动力人工边界,关于土的非线形问题(尤其是动力非线形问题)的研究更是发展出几十种动力非线形本构模型。目前虽然没有任何一个模型具有广泛的适用性,但针对具体问题也不乏有合理而实用的选择。

对地铁车站结构来说,周围土体特性对结构地震反应及破坏特征的影响显著。在地震作用过程中,周围土体尤其是上覆土层的重力效应对结构地震反应会产生不容忽视的影响。如何合理的反映土体的静力效应及周围土体介质半无限性的影响是一个比较重要的问题。这一问题的解决涉及到动力人工边界及静力人工边界的合理确定和设置。目前已有的动力人工边界一般不适用于土-结构动力相互作用分析,不能很好的反映地下结构周围土体的重力效应对非线形结构地震反应的影响。因而有必要发展一种对静力分析和动力分析均能适用的静-动力统一人工边界,并提出直接在静-动力统一人工边界上实现地震波场的输入方法。基于静-动力统一人工边界建立一个可考虑上覆土层的重力效应、实现强地震作用有效输入、合理反映结构材料非线形、土-结构动接触非线形、近场地土非线形与远场地土非线形等影响因素的理论分析模型是完善地下结构静力分析及地震反应动力分析的合理途径。

5 结论

(1)地铁车站作为城市轨道交通的重要组成部分,也是易于遭受地震灾害的结构之一,应纳入抗震设防的重要范畴。目前,我国地铁车站结构的抗震设计方法并不完善。

(2)竖向地震作用对地铁车站结构的破坏有显著影响,中柱是地铁车站结构抗震的薄弱环节,设计中应予以重视。

(3)在强地震作用下,地铁车站结构的土-结构动力非线形相互作用不可避免。车站结构地震反应动力分析模型的建立是需要解决的关键问题。

(4)在车站抗震设计中,按照不同的设计阶段来选用不同的设计方法是比较合适的。具体的,在初步设计阶段,抗震验算可应用静力法中的反应位移模型和地震惯性模型结合进行。而在施工图设计阶段,则应用土-结构动力相互作用分析进行抗震验算。

总之,重新具体评价地铁车站抗震安全性,加强研究地铁车站的抗震性能,对地铁车站抗震设计提出相应的建议和抗震措施,对于城市地铁工程具有非常重要的意义。

参考文献

[1]施仲衡.地下铁道设计与施工[M].西安:陕西科学技术出版社,1997.

[2]于翔.地铁建设中应充分考虑抗地震作用——阪神地震破坏的启示[J].铁道建筑技术,2000.(6):32-35.

[3]胡聿贤.地震工程学[M].北京:地震出版社,1988.

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